DE19630284A1 - Drive system for a rail vehicle and control method therefor - Google Patents

Drive system for a rail vehicle and control method therefor

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Michael Dipl Ing Steiner
Harry Dr Ing Reinold
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Abstract

The drive system has a number of partial current regulators (40.1,..40.n) using switching semiconductors. The semiconductors are connected in series with a choke coil (38) between a current take-off (36) cooperating with an overhead supply line and wheel/rail system (37). Each of the partial current regulators has a 4-quadrant regulator, an intermediate circuit capacitor and a DC/AC converter on the primary side and a transformer on the secondary side, with the secondary sides connected in parallel to provide a common AC circuit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug sowie auf ein Ansteuerverfahren hierzu.The invention relates to a drive system for a rail vehicle as well on a control procedure for this.

Aus der Dissertation Stefan Östlund, A Primary Switched Converter System for Traction Applications, Trita-EMK-9201, Royal Institute of Technology, Department of Electrical Machines and Power Electronics, ist in Fig. 2.2.1 auf Seite 7 ein An­ triebssystem für ein Schienenfahrzeug angegeben, bei dem ein Transformator vor­ gesehen ist, der primärseitig über einen Direktumrichter mit einem Wechselspan­ nungsnetz verbunden ist und sekundärseitig über einen Vierquadrantensteller mit Saugkreis, einen Zwischenkreiskondensator und einen Wechselrichter einen An­ triebsmotor des Schienenfahrzeuges speist. Der Transformator wird dabei mit einer Frequenz von einigen hundert Hz betrieben. Der Direktumrichter erfordert symme­ trisch sperrende Halbleiterventile.From the dissertation Stefan Östlund, A Primary Switched Converter System for Traction Applications, Trita-EMK-9201, Royal Institute of Technology, Department of Electrical Machines and Power Electronics, Fig. 2.2.1 on page 7 shows a drive system for a rail vehicle specified, in which a transformer is seen before, which is connected on the primary side via a direct converter to an AC voltage network and on the secondary side via a four-quadrant actuator with suction circuit, an intermediate circuit capacitor and an inverter feeds a drive motor of the rail vehicle. The transformer is operated at a frequency of a few hundred Hz. The direct converter requires symmetrically blocking semiconductor valves.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für ein Schienenfahr­ zeug anzugeben, bei dem der zur Potentialtrennung eingesetzte Transformator we­ sentlich hinsichtlich seines Gewichts und Volumens reduziert ist. Des weiteren soll ein Ansteuerverfahren hierzu angegeben werden. The invention has for its object a drive system for a rail ride Stuff to specify, in which the transformer we used for electrical isolation is significantly reduced in terms of its weight and volume. Furthermore should a control procedure can be specified for this.  

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Systems durch ein Antriebssystem für ein Schie­ nenfahrzeug gelöst, bestehend aus zwei über mindestens einen Transformator ge­ koppelten Teilsystemen, wobei in jedem der beiden Teilsysteme mindestens ein Vierquadrantensteller, mindestens ein Zwischenkreiskondensator und mindestens ein Wechselrichter angeordnet sind, der Vierquadrantensteller des ersten Teilsy­ stems über ein Eingangsfiltersystem an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist und der Wechselrichter des zweiten Teilsystems mit einem Antriebsmotor ver­ bunden ist, wobei der Vierquadrantensteller des ersten Teilsystems mit einer Fre­ quenz bis ungefähr 500 Hertz taktet, der Wechselrichter des ersten Teilsystems und der Vierquadrantensteller des zweiten Teilsystems im Bereich zwischen 8 und 20 Kilohertz betrieben werden und der Wechselrichter des zweiten Teilsystems eben­ falls bis ungefähr 500 Hertz taktet. Die genannten Obergrenzen der Frequenzen sind durch die Eigenschaften der derzeit verfügbaren Halbleiterschalter bedingt. So­ bald entsprechende Bauelemente für höhere Frequenzen verfügbar sind, können auch höhere Taktfrequenzen gewählt werden.The task is done with regard to the system by a drive system for a shooting Solved vehicle, consisting of two ge via at least one transformer coupled subsystems, with at least one in each of the two subsystems Four quadrant, at least one intermediate circuit capacitor and at least an inverter are arranged, the four-quadrant of the first subsystem stems connected to an AC network via an input filter system is ver and the inverter of the second subsystem with a drive motor is bound, the four-quadrant of the first subsystem with a Fre quenz clocks up to about 500 Hertz, the inverter of the first subsystem and the four-quadrant of the second subsystem in the range between 8 and 20 Kilohertz are operated and the inverter of the second subsystem if clocks up to about 500 Hertz. The specified upper limits of the frequencies are due to the properties of the currently available semiconductor switches. Like this corresponding components for higher frequencies will soon be available higher clock frequencies can also be selected.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren zur Ansteuerung der Halbleiterschalter der mit dem Transformator verbundenen Stromrichter gelöst, bei dem diese Halbleiterschalter mit einer Schaltfrequenz fs betrieben werden, die näherungsweise folgende Bedingung erfüllt:With regard to the method, the object is achieved by a method for controlling the semiconductor switches of the converters connected to the transformer, in which these semiconductor switches are operated at a switching frequency f s which approximately meets the following condition:

wobei Ls die Summe der primären und sekundären Streuinduktivität des Transformators ist und CE die Ersatzkapazität in beiden Teilsystemen darstellt, mitwhere L s is the sum of the primary and secondary leakage inductance of the transformer and C E represents the replacement capacity in both subsystems, with

wobei CDC1 die Kapazität im ersten Teilsystem und CDC2 die Kapazität im zweiten Teilsystem darstellt. where C DC1 represents the capacity in the first subsystem and C DC2 the capacity in the second subsystem.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den mit relativ hoher Frequenz betriebenen Transformator eine Potentialtrennung zwischen dem speisenden Wechselspannungsnetz und dem mindestens einen An­ triebsmotor erfolgt, ohne daß dabei der Transformator ein hohes Gewicht aufweist und einen großen Raumbedarf erfordert. Im Vergleich zu den bei Schienenfahrzeu­ gen üblicherweise im Eingangskreis verwendeten Transformatoren ist neben dem Gewicht und Raumbedarf auch die Verlustleistung des mit relativ hoher Frequenz betriebenen Transformators wesentlich reduziert. Infolge der harten Kopplung der beiden Teilsysteme bestehen die Möglichkeiten,The advantages that can be achieved with the invention consist in particular in that the transformer operated at a relatively high frequency, a potential separation between the supplying AC voltage network and the at least one An Drive motor takes place without the transformer being heavy and requires a lot of space. Compared to that of rail vehicles gen usually used in the input circuit is next to the Weight and space requirements also include the power loss with a relatively high frequency operated transformer significantly reduced. Due to the hard coupling of the Both subsystems have the possibility

  • 1. einen Saugkreis im ersten oder im zweiten oder in beiden Teilsystemen anzu­ schließen oder1. to apply a suction circuit in the first or in the second or in both subsystems close or
  • 2. durch Vergrößerung der Gesamtkapazität ganz auf Saugkreise zu verzichten.2. To dispense with suction circles entirely by increasing the total capacity.

Letztere Möglichkeit ist in heute üblichen Systemen aufgrund begrenzter, maximaler Zwischenkreiskurzschlußströme nicht gegeben. Das der Erfindung zugrundeliegen­ de Antriebssystem weist diese Begrenzung wegen der in den Teilsystemen verteilten Kapazitäten nicht auf. Der Wegfall der induktiven Bauelemente des (der) Saugkrei­ se(s) führt zu einer weiteren Gewichtsreduktion.The latter possibility is due to limited, maximum in current systems DC link short-circuit currents not given. The basis of the invention de drive system has this limitation because of the distributed in the subsystems Capacities not on. The elimination of the inductive components of the suction circuit (s) se (s) leads to further weight loss.

Mittels des vorgeschlagenen Ansteuerverfahrens werden vorteilhaft die Schaltverlu­ ste der mit dem Transformator verbundenen Halbleiterschalter in hohem Maße re­ duziert.The switching loss is advantageously reduced by means of the proposed control method most of the semiconductor switches connected to the transformer induced.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims draws.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the embodiment shown in the drawing Examples explained. Show it:

Fig. 1 eine einstufige Grundform der Antriebsschaltung, Fig. 1 is a single-stage basic shape of the drive circuit,

Fig. 2 eine Alternative zur Antriebsschaltung gemäß Fig. 1, Fig. 2 shows an alternative to the drive circuit of FIG. 1,

Fig. 3 eine zweistufige Grundform der Antriebsschaltung, Fig. 3 shows a two-stage basic shape of the drive circuit,

Fig. 4 bis 6 weitere alternative Antriebsschaltungen, Fig. 4 to 6 further alternative drive circuits,

Fig. 7 ein Antriebskonzept für ein Schienentriebfahrzeug mit mehreren netzseitig seriengeschalteten Teilstromrichtersystemen, Fig. 7 shows a drive system for a rail traction vehicle with a plurality of series-connected network side partial converter systems,

Fig. 8 die Ausbildung eines verwendeten Halbleiterschalters. Fig. 8 shows the formation of a semiconductor switch used.

In Fig. 1 ist eine einstufige Grundform der Antriebsschaltung dargestellt. Es ist ein Vierquadrantensteller 1 (Gleichrichter) mit Saugkreis 2 und Zwischenkreiskondensa­ tor 3 (Gleichspannungszwischenkreis) zu erkennen. Wechselspannungsseitig ist der Vierquadrantensteller 1 über ein Eingangsdrosselsystem 4 an ein Wechselspan­ nungsnetz angeschlossen. Am Zwischenkreis liegt ein Wechselrichter 5, der wech­ selspannungsseitig mit der Primärwicklung eines Transformators 6 beschaltet ist. An die Sekundärwicklung des Transformators 6 ist ein Vierquadrantensteller 7 (Gleich­ richter) angeschlossen, der gleichspannungsseitig über einen Zwischenkreiskon­ densator 8 (Gleichspannungszwischenkreis) mit einem Wechselrichter 9 (Maschi­ nenstromrichter) beschaltet ist. An den Wechselrichter 9 ist als Last ein Antriebsmo­ tor 10 des Schienenfahrzeuges angeschlossen. Als Transformator wird vorzugswei­ se ein Transformator mit sehr geringer Streuinduktivität verwendet.In Fig. 1 a single-stage basic shape of the driving circuit is shown. A four-quadrant actuator 1 (rectifier) with suction circuit 2 and DC link capacitor 3 (DC voltage intermediate circuit) can be seen. AC voltage side of the four-quadrant controller 1 is connected voltage network via an input choke system 4 to an alternating tension. At the intermediate circuit is an inverter 5 , the alternating voltage side is connected to the primary winding of a transformer 6 . To the secondary winding of the transformer 6 , a four-quadrant 7 (rectifier) is connected, which is connected on the DC voltage side via an intermediate circuit capacitor 8 (DC voltage intermediate circuit) to an inverter 9 (machine converter). A drive motor 10 of the rail vehicle is connected to the inverter 9 as a load. As a transformer, a transformer with a very low leakage inductance is preferably used.

Wesentliches Merkmal des Antriebssystems ist die hohe Taktfrequenz im Bereich von 8 bis 20 kHz der Halbleiterschalter 11 der mit dem Transformator verbundenen, die Gleichspannungswandlung bewirkenden Stromrichter, d. h. des Wechselrichters 5 und des Vierquadrantenstellers 7. Vorteilhaft werden hierdurch Gewicht und Raumbedarf des Transformators wesentlich herabgesetzt und die vom menschlichen Ohr wahrnehmbaren Geräusche reduziert. Die Halbleiterschalter 11 des Vierqua­ drantenstellers 1 und des Wechselrichters 9 takten im Bereich kleinerer Schaltfre­ quenzen bis etwa 500 Hz.An essential feature of the drive system is the high clock frequency in the range from 8 to 20 kHz of the semiconductor switches 11 of the converters connected to the transformer and effecting the DC voltage conversion, ie the inverter 5 and the four-quadrant converter 7 . This advantageously significantly reduces the weight and space requirement of the transformer and reduces the noises perceptible by the human ear. The semiconductor switch 11 of the four-quadrant controller 1 and the inverter 9 clock in the range of smaller switching frequencies up to about 500 Hz.

Ein weiteres wichtiges Merkmal des Antriebssystems ist die sehr harte Kopplung der über den Transformator gekoppelten beiden Teilsysteme. Infolge der harten Kopp­ lung wirken sich kapazitive Baukomponenten des einen Teilsystems unmittelbar und stark auf das andere Teilsystem auf. Hierdurch können die Kapazitäten der Span­ nungszwischenkreise vorteilhaft in einem wählbaren Verhältnis auf beide Teilsyste­ me aufgeteilt werden. Die Zwischenkreiskondensatoren 3, 8 wirken wie parallelge­ schaltete Kondensatoren. Das hat den Vorteil, daß die beim Zwischenkreiskurz­ schluß in einer Stromrichterphase auftretenden Kurzschlußströme reduziert werden. Dies ist wichtig, da den Halbleiterschaltern keine strombegrenzenden Induktivitäten in Serie geschaltet sind. Dies wiederum reduziert die im Betrieb auftretenden Ver­ lustleistungen. Des weiteren ist infolge der harten Kopplung der Saugkreis 2 für bei­ de Vierquadrantensteller 1, 7 wirksam. Demzufolge kann der Saugkreis 2 auch im Zwischenkreis des zweiten Teilsystems angeordnet sein, wie die in Fig. 2 dargestell­ te Alternative zur Antriebsschaltung zeigt, oder bei einer Vergrößerung der gesam­ ten Zwischenkreiskapazität ganz entfallen.Another important feature of the drive system is the very hard coupling of the two subsystems coupled via the transformer. As a result of the hard coupling, capacitive components of one subsystem have a direct and strong effect on the other subsystem. As a result, the capacities of the voltage intermediate circuits can advantageously be divided between the two subsystems in a selectable ratio. The intermediate circuit capacitors 3 , 8 act like capacitors connected in parallel. This has the advantage that the short-circuit currents occurring in the DC link short circuit in a converter phase are reduced. This is important because the semiconductor switches have no current-limiting inductors connected in series. This in turn reduces the loss performance that occurs in the company. Furthermore, due to the hard coupling, the suction circuit 2 is effective for de four-quadrant actuators 1 , 7 . As a result, the suction circuit 2 can also be arranged in the intermediate circuit of the second subsystem, as the alternative to the drive circuit shown in FIG. 2 shows, or can be omitted entirely if the total intermediate circuit capacity is increased.

In Fig. 3 ist eine zweistufige Grundform der Antriebsschaltung dargestellt. Bei dieser zweistufigen Grundform sind das Eingangsdrosselsystem 4, der Vierquadrantenstel­ ler 1, der Saugkreis 2 und der Wechselrichter 9 unverändert im Vergleich zur Grund­ form gemäß Fig. 1. Es sind jedoch zwei in Serie geschaltete Zwischenkreiskonden­ satoren 12, 13 im ersten Teilsystem vorgesehen, an welche zwei Wechselrichter 14, 15 angeschlossen sind, die wechselspannungsseitig jeweils mit zwei Wicklungen eines Vier-Wicklungstransformators, in der Zeichnung, Fig. 3 als zwei magnetisch gekoppelte Transformatoren 16, 17 dargestellt, verbunden sind. An beide Sekun­ därwicklungen dieses Transformators 16, 17 ist ein eigener Vierquadrantensteller 18, 19 angeschlossen. Diese Vierquadrantensteller 18, 19 des zweiten Teilsystems speisen über zwei in Serie geschaltete Zwischenkreiskondensatoren 20, 21 den ge­ meinsamen Zwischenkreis des zweiten Teilsystems. Eine Symmetrierung der geteil­ ten Zwischenkreisspannung ist durch die Verwendung der Vier-Wicklungstransformatoren gewährleistet.In Fig. 3 a two-stage basic shape of the driving circuit is shown. In this two-stage basic form, the input throttle system 4 , the four-quadrant actuator 1 , the suction circuit 2 and the inverter 9 are unchanged in comparison to the basic form according to FIG. 1. However, two series-connected intermediate circuit capacitors 12, 13 are provided in the first subsystem which two inverters 14 , 15 are connected, which on the AC voltage side are each connected to two windings of a four-winding transformer, shown in the drawing, FIG. 3 as two magnetically coupled transformers 16 , 17 . At both secondary windings of this transformer 16 , 17 , a separate four-quadrant actuator 18 , 19 is connected. These four quadrant actuators 18 , 19 of the second subsystem feed two intermediate circuit capacitors 20 , 21 connected in series to the common intermediate circuit of the second subsystem. The use of the four-winding transformers ensures that the divided intermediate circuit voltage is balanced.

Die zweistufige Grundform hat gegenüber der einstufigen Grundform den Vorteil, daß Halbleiterschalter 11 mit reduzierter Spannungsfestigkeit verwendet und damit höhere Taktfrequenzen erreicht werden können.The two-stage basic form has the advantage over the single-stage basic form that semiconductor switches 11 are used with reduced dielectric strength and thus higher clock frequencies can be achieved.

In Fig. 4 ist eine alternative Antriebsschaltung dargestellt, bei der zwei magnetisch gekoppelte Transformatoren 22, 23 vorgesehen sind, deren Primärwicklungen in Reihe geschaltet mit dem Wechselrichter 5 verbunden sind. Die Sekundärwicklun­ gen der Transformatoren 22, 23 sind jedoch parallel geschaltet an den Vierquadran­ tensteller 7 angeschlossen. Bei dieser Antriebsschaltung ist bei einem Überset­ zungsverhältnis des Transformators von 1 : 1 die am Zwischenkreiskondensator 8 anliegende Gleichspannung Udc2 nur halb so groß wie die am Zwischenkreiskonden­ sator 3 anstehende Gleichspannung Udc1. In FIG. 4, an alternative drive circuit is shown, are provided in the two magnetically coupled transformers 22, 23, whose primary windings are connected in series connected to the inverter 5. However, the secondary windings of the transformers 22 , 23 are connected in parallel to the four-quadrant 7 . In this drive circuit, in a gear ratio, ratio of the transformer of 1: 1, the voltage present at the intermediate circuit capacitor 8 DC voltage U dc2 only half as large as the sator on Zwischenkreiskonden 3 pending DC voltage U dc1.

In Fig. 5 ist eine alternative Antriebsschaltung dargestellt, bei der ein dreiphasiger Transformator 35 vorgesehen ist, der primärseitig mit einem dreiphasigen Wechsel­ richter 34 und sekundärseitig mit dem dreiphasigen Pulsgleichrichter 33 beschaltet ist. Der dreiphasige Transformator 35 kann wie abgebildet in Stern/Sternschaltung, jedoch auch in Stern/Dreieckschaltung oder Dreieck/Sternschaltung oder in einer anderen allgemein bekannten Transformatorschaltung ausgebildet sein. Das erziel­ bare Spannungsverhältnis Udc1 : Udc2 ist von der verwendeten Transformatorschal­ tung abhängig.In Fig. 5, an alternative drive circuit is shown in which a three-phase transformer 35 is provided, which is on the primary side with a three-phase inverter 34 and the secondary side wired to the three-phase pulse rectifier 33rd The three-phase transformer 35 can be designed as star / star connection as shown, but also in star / delta connection or delta / star connection or in another generally known transformer circuit. The achievable voltage ratio U dc1 : U dc2 depends on the transformer circuit used.

Allgemein haben die Schaltungsanordnungen der Fig. 4 und 5 den Vorteil einer Reduzierung der Spannung Udc2 gegenüber der Spannung Udc1. Dies hat einen posi­ tiven Einfluß bei der notwendigen Reduzierung der Wechselspannung des speisen­ den Netzes auf die dem Antriebsmotor zuführbare Drehspannung.In general, the circuit arrangements of FIGS . 4 and 5 have the advantage of reducing the voltage U dc2 compared to the voltage U dc1 . This has a positive influence on the necessary reduction of the AC voltage of the mains supply to the three-phase voltage that can be supplied to the drive motor.

In Fig. 6 ist ein Antriebskonzept für ein Schienenfahrzeug mit mehreren netzseitig seriengeschalteten Teilstromrichtersystemen dargestellt. Zwischen dem Fahr­ draht/Stromabnehmer-System 36 und dem Rad/Schiene-System 37 des Schienen­ fahrzeuges sind mehrere Teilstromrichtersysteme 40.1 . . . 40.n (n = 1, 2, 3 . . . .) in Serie schaltbar. Jedes dieser Teilstromrichtersysteme ist über einen separaten Schalter 39.1 . . . 39.n überbrückbar. Zwischen dem Fahrdraht/Stromabnehmer-System 36 und dem ersten Teilstromrichtersystem 40.1 ist eine Haupteingangsdrossel 38 vorgese­ hen, welche u. a. zur Überspannungsbegrenzung dient. Die Ausgänge der Teil­ stromrichtersysteme 40.1 . . . 40.n liegen parallel. An diese Ausgänge sind über Schalter 43.1 . . . 43.m zuschaltbare Teilstromrichtersysteme 41.1 . . . 41.m (m = 1, 2, 3 . . .) angeschlossen, wobei jedes Teilstromrichtersystem 41.1 . . . 41.m mit einem An­ triebsmotor 42.1 . . . 42.m verbunden ist.In FIG. 6, a drive concept is illustrated for a rail vehicle having a plurality of series-connected grid side power converter systems. Between the driving wire / pantograph system 36 and the wheel / rail system 37 of the rail vehicle are several converter systems 40.1 . . . 40. n (n = 1, 2, 3....) Switchable in series. Each of these partial converter systems is via a separate switch 39.1 . . . 39. n bridgeable. Between the contact wire / pantograph system 36 and the first partial converter system 40.1 , a main input choke 38 is provided, which is used, among other things, for overvoltage limitation. The outputs of the partial converter systems 40.1 . . . 40. n are parallel. To these outputs are via switch 43.1 . . . 43 .m switchable partial converter systems 41.1 . . . 41 .m (m = 1, 2, 3...) Connected, whereby each partial converter system 41.1 . . . 41 .m with a drive motor 42.1 . . . 42 .m is connected.

Durch das in Fig. 6 gezeigte Konzept wird die relativ hohe Wechselspannung zwi­ schen Fahrdraht/Stromabnehmer-System 36 und Rad/Schiene-Systeme 37 entspre­ chend der Anzahl n der Teilstromrichtersysteme 40.1 . . . 40.n aufgeteilt, so daß jeder Vierquadrantensteller bzw. Wechselrichter der ersten Teilsysteme der Teilstromrich­ tersysteme mit Halbleiterschaltern 11 üblicher Sperrspannungsfestigkeit betreibbar ist. Die Anzahl m der vorzusehenden Teilstromrichtersysteme 41.1 . . . 41.m richtet sich nach der erforderlichen Anzahl von Antriebsmotoren 42.1 . . . 42.m. By in Fig. 6 concept shown, the relatively high AC voltage Zvi rule contact wire / current collector system 36 and wheel / rail systems 37 is accordingly the number n of the partial converter systems 40.1. . . 40. n divided so that each four-quadrant actuator or inverter of the first subsystems of the partial converter systems can be operated with semiconductor switches 11 of normal reverse voltage strength. The number m of partial converter systems 41.1 to be provided . . . 41 .m depends on the required number of drive motors 42.1 . . . 42 .m.

Dabei enthält ein Teilstromrichtersystem 40.1 . . . 40.n beispielsweise ein Eingangs­ drosselsystem 4, einen Vierquadrantensteller 1, einen Zwischenkreiskondensator 3, gegebenenfalls einen Saugkreis 2, einen Wechselrichter 5 und einen Transformator 6. Das entsprechende Teilstromrichtersystem 41.1 . . . 41.m enthält einen Vierqua­ drantensteller 7, einen Zwischenkreiskondensator 8 und einen Wechselrichter 9. Alternativ können selbstverständlich auch die vorstehend erläuterten alternativen Anordnungen gemäß den Fig. 2 bis 6 verwendet werden.A partial converter system 40.1 . . . 40. n, for example, an input throttle system 4 , a four-quadrant actuator 1 , an intermediate circuit capacitor 3 , optionally a suction circuit 2 , an inverter 5 and a transformer 6 . The corresponding partial converter system 41.1 . . . 41 .m contains a four-quadrant actuator 7 , an intermediate circuit capacitor 8 and an inverter 9 . Alternatively, the alternative arrangements according to FIGS. 2 to 6 explained above can of course also be used.

Alternativ zu dieser Ausführungsform kann jedes Teilstromrichtersystem 40.1 . . . 40.n zusätzlich sekundärseitig des Transformators einen Vierquadrantensteller 7 und ei­ nen Zwischenkreiskondensator 8 aufweisen, wobei bei dieser alternativen Ausfüh­ rungsform die Teilstromrichtersysteme 41.1 . . . 41.m dann lediglich den sekundärsei­ tigen Wechselrichter 9 beinhalten.As an alternative to this embodiment, each partial converter system 40.1 . . . 40. n additionally have a four-quadrant actuator 7 and an intermediate circuit capacitor 8 on the secondary side of the transformer, with the alternative converter systems 41.1 in this alternative embodiment. . . 41 .m then only include the secondary-side inverter 9 .

Bei der Aufteilung des Gesamtsystems in mehrere seriengeschaltete Teilstromrich­ tersysteme 40.1 bis 40.n werden die am Wechselspannungsnetz liegenden Halblei­ terschalter vorzugsweise versetzt getaktet. Des weiteren sind die einzelnen Ein­ gangsdrosselsysteme der Teilstromrichtersysteme vorzugsweise als stromkompen­ sierte Drosseln ausgeführt, wodurch parasitäre Ausgleichsströme zwischen den ein­ zelnen Teilstromrichtersystemen gedämpft werden.When the overall system is divided into a plurality of series-connected partial converter systems 40.1 to 40. n, the semiconductor switches connected to the AC voltage network are preferably clocked with an offset. Furthermore, the individual input choke systems of the partial converter systems are preferably designed as current-compensated chokes, as a result of which parasitic equalizing currents between the individual partial converter systems are damped.

In Fig. 7 ist die Ausbildung eines Halbleiterschalters 11 dargestellt, wie er für alle vorstehend erläuterten Vierquadrantensteller und Wechselrichter verwendet wird. Der Halbleiterschalter 11 besteht aus einem IGBT-Leistungshalbleiter 44 mit anti­ paralleler Inversdiode 45. Vorteilhaft werden kostengünstige asymmetrische Halblei­ ter eingesetzt und nicht symmetrisch sperrende Halbleiter, wie sie beispielsweise bei einem Direktumrichter eingesetzt werden müssen. FIG. 7 shows the design of a semiconductor switch 11 as it is used for all four-quadrant actuators and inverters explained above. The semiconductor switch 11 consists of an IGBT power semiconductor 44 with an anti-parallel inverse diode 45 . Inexpensive asymmetrical semiconductors are advantageously used and non-symmetrically blocking semiconductors, such as must be used for example in a direct converter.

Das vorgeschlagene Antriebssystem kann auch zu einer Mehrsystem-Schaltung er­ weitert werden, welche durch Umgruppierung von einzelnen Baukomponenten an unterschiedlichen Netzen - wie Gleichspannungsnetzen unterschiedlicher Gleich­ spannung und Wechselspannungsnetzen unterschiedlicher Wechselspannung und Frequenz - betrieben werden kann. The proposed drive system can also be a multi-system circuit to be expanded, which by regrouping individual components different networks - like DC voltage networks of different DC voltage and alternating voltage networks of different alternating voltage and Frequency - can be operated.  

Um die Schaltverluste der im Bereich 8 . . . 20 kHz betriebenen Halbleiterschalter 11 zu minimieren, ist es vorteilhaft, den aus der Streuinduktivität des Transformators und den Kapazitäten in beiden Teilsystemen gebildeten Schwingkreis heranzuzie­ hen und diese Halbleiterschalter in abgestimmter Art und Weise dann zu schalten, wenn der Stromfluß durch die Halbleiterschalter gerade ein Minimum aufweist. Des­ halb sind diese Halbleiterschalter näherungsweise mit einer Schaltfrequenz fS zu betreiben, die folgende Bedingung erfüllt:In order to avoid the switching losses in area 8. . . To minimize 20 kHz operated semiconductor switch 11 , it is advantageous to use the resonant circuit formed from the leakage inductance of the transformer and the capacitances in both subsystems and to switch these semiconductor switches in a coordinated manner when the current flow through the semiconductor switch is just at a minimum . For this reason, these semiconductor switches are to be operated approximately with a switching frequency f S that meets the following condition:

wobei LS die Streuinduktivität des Transformators ist und CE die Ersatzkapazität in beiden Teilsystemen darstellt, mitwhere L S is the leakage inductance of the transformer and C E represents the replacement capacity in both subsystems, with

wobei CDC1 die Kapazität im ersten Teilsystem und CDC2 die Kapazität im zweiten Teilsystem darstellt. Dabei ist es vorteilhaft, die Kapazitäten CDC1 und CDC2 unsym­ metrisch aufzuteilen, um insgesamt eine relativ kleine Kapazität CE zu realisieren. Wie vorstehend bereits erläutert, ist diese Maßnahme der Aufteilung der Kapazitä­ ten aufgrund der harten Kopplung möglich.where C DC1 represents the capacity in the first subsystem and C DC2 the capacity in the second subsystem. It is advantageous to divide the capacitances C DC1 and C DC2 asymmetrically in order to achieve a relatively small capacitance C E overall. As already explained above, this measure of capacity sharing is possible due to the hard coupling.

Claims (9)

1. Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug, bestehend aus zwei über min­ destens einen Transformator (6, 16/17, 22/23, 30/31/32, 35) gekoppelten Teilsyste­ men, wobei in jedem der beiden Teilsysteme mindestens ein Vierquadrantensteller (1, 7, 18/19, 33), mindestens ein Zwischenkreiskondensator (3, 8, 12/13, 20/21, 24/25/26) und mindestens ein Wechselrichter (5, 9, 14/15, 27/28/29, 34) angeordnet sind, der Vierquadrantensteller (1) des ersten Teilsystems über ein Eingangsdros­ selsystem (4) an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist und der Wechsel­ richter des zweiten Teilsystems mit einem Antriebsmotor (10) verbunden ist, wobei der Vierquadrantensteller (1) des ersten Teilsystems mit einer geringen Frequenz bis ungefähr 500 Hertz taktet, der Wechselrichter (5, 14/15, 27/28/29, 34) des ersten Teilsystems und der Vierquadrantensteller (7, 18/19, 33) des zweiten Teilsystems im Bereich zwischen 8 und 20 Kilohertz betrieben werden und der Wechselrichter (9) des zweiten Teilsystems ebenfalls bis ungefähr 500 Hertz taktet.1. Drive system for a rail vehicle, consisting of two subsystems coupled via at least one transformer ( 6 , 16/17 , 22/23 , 30/31/32 , 35 ), with at least one four-quadrant actuator ( 1 , 7 , 18/19 , 33 ), at least one intermediate circuit capacitor ( 3 , 8 , 12/13 , 20/21 , 24/25/26 ) and at least one inverter ( 5 , 9 , 14/15 , 27/28/29 , 34 ) are arranged, the four-quadrant actuator ( 1 ) of the first subsystem is connected via an input throttle system ( 4 ) to an AC voltage network and the inverter of the second subsystem is connected to a drive motor ( 10 ), the four-quadrant actuator ( 1 ) of the first subsystem clocks with a low frequency up to approximately 500 Hertz, the inverter ( 5 , 14/15 , 27/28/29 , 34 ) of the first subsystem and the four-quadrant ( 7 , 18/19 , 33 ) of the second subsystem in the range between 8 and 20 kilohertz are operated and the Wechselr Ichter ( 9 ) of the second subsystem also clocks up to about 500 Hertz. 2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in­ duktiv gekoppelte Transformatoren (16, 17) vorgesehen sind, die primärseitig mit je einem eigenen Wechselrichter (14, 15) und sekundärseitig mit je einem eigenen Vierquadrantensteller (18, 19) beschaltet sind, wobei die Gleichspannungsan­ schlüsse dieser Wechselrichter und Vierquadrantensteller mit je einem eigenen Zwi­ schenkreiskondensator (12, 13; 20, 21) verbunden und diese Zwischenkreiskonden­ satoren jeweils in Reihe geschaltet sind.2. Drive system according to claim 1, characterized in that two in ductively coupled transformers ( 16 , 17 ) are provided which are connected on the primary side with their own inverter ( 14 , 15 ) and on the secondary side with their own four-quadrant actuator ( 18 , 19 ) , the DC voltage connections of these inverters and four-quadrant actuators each with its own intermediate circuit capacitor ( 12 , 13 ; 20 , 21 ) connected and these DC link capacitors are each connected in series. 3. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Transformatoren vorgesehen sind, deren Primärwicklungen in Reihe geschaltet am Wechselrichter (5) und deren Sekundärwicklungen parallel geschaltet am Vierqua­ drantensteller (7) liegen.3. Drive system according to claim 1, characterized in that two transformers are provided, the primary windings connected in series on the inverter ( 5 ) and the secondary windings connected in parallel on the four-quadrant actuator ( 7 ). 4. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein drei­ phasiger Transformator (35) vorgesehen ist, dessen Primärwicklungen mit einem dreiphasigen Wechselrichter (34) und dessen Sekundärwicklungen mit einem drei­ phasigen Pulsgleichrichter (33) verbunden sind.4. Drive system according to claim 1, characterized in that a three-phase transformer ( 35 ) is provided, the primary windings of which are connected to a three-phase inverter ( 34 ) and the secondary windings of which are connected to a three-phase pulse rectifier ( 33 ). 5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Teilstromrichtersysteme (40.1 bis 40.n) zwischen dem Fahr­ draht/Stromabnehmer-System (36) und dem Rad/Schiene-System (37) in Reihe ge­ schaltet sind, wobei jedes Teilstromrichtersystem mindestens einen Vierquadran­ tensteller, mindestens einen Zwischenkreiskondensator, mindestens einen Wech­ selrichter und mindestens einen Transformator aufweist.5. Drive system according to one of claims 1 to 4, characterized in that a plurality of partial converter systems ( 40.1 to 40. n) between the driving wire / pantograph system ( 36 ) and the wheel / rail system ( 37 ) switches in series are, each sub-converter system has at least one Vierquadran tensteller, at least one intermediate circuit capacitor, at least one inverter and at least one transformer. 6. Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilstromrichtersystem zusätzlich noch mindestens einen sekundärseitigen Vierqua­ drantensteller aufweist.6. Drive system according to claim 5, characterized in that each Partial converter system additionally at least one secondary fourqua has third party. 7. Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilstromrichtersystem zusätzlich noch mindestens einen sekundärseitigen Zwi­ schenkreiskondensator aufweist.7. Drive system according to claim 6, characterized in that each Partial converter system additionally at least one secondary side has circuit capacitor. 8. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Halbleiterschalter (11) der Vierquadrantensteller und Wechselrichter als IGBT-Leistungshalbleiter (44) mit paralleler Inversdiode (45) ausgebildet ist.8. Drive system according to one of claims 1 to 7, characterized in that each semiconductor switch ( 11 ) of the four-quadrant and inverter is designed as an IGBT power semiconductor ( 44 ) with a parallel inverse diode ( 45 ). 9. Verfahren zur Ansteuerung der Halbleiterschalter der mit dem Transfor­ mator verbundenen Stromrichter eines Antriebssystems gemäß einem der Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Halbleiterschalter mit einer Schalt­ frequenz fS betrieben werden, die näherungsweise folgende Bedingung erfüllt: wobei LS die Streuinduktivität des Transformators ist und CE die Ersatzkapazität in beiden Teilsystemen darstellt, mit wobei CDC1 die Kapazität im ersten Teilsystem und CDC2 die Kapazität im zweiten Teilsystem darstellt.9. A method for controlling the semiconductor switch of the converter connected to the transformer of a drive system according to one of claims 1 to 8, characterized in that these semiconductor switches are operated with a switching frequency f S which approximately meets the following condition: where L S is the leakage inductance of the transformer and C E represents the replacement capacity in both subsystems, with where C DC1 represents the capacity in the first subsystem and C DC2 the capacity in the second subsystem.
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